Ένας εμπειρικός τυποποιημένος δείκτης υγρασίας για την εκτίμηση γεωργικής ξηρασίας από τηλεπισκοπικά δεδομένα

Από RemoteSensing Wiki

Ένας εμπειρικός τυποποιημένος δείκτης υγρασίας για την εκτίμηση γεωργικής ξηρασίας από τηλεπισκοπικά δεδομένα

Πρωτότυπος τίτλος: An empirical standardized soil moisture index for agricultural drought assessment from remotely sensed data

Συγγραφείς: Hugo Carrao, Simone Russo, Guadalupe Sepulcre – Canto, Paulo Barbosa

Δημοσιεύθηκε: International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2015

Eικόνα 1:Η διαδικασία υπολογισμού των τριών βημάτων του ESSMI. Το παράδειγμα είναι για τις τιμές ECV SM του Νοεμβρίου σε σημείο δικτύου στη Bahia της Βραζιλίας. Η πορτοκαλί καμπύλη του αριστερού αντιπροσωπεύει το F (xt) που σχετίζεται με το ePDF που είναι προσαρμοσμένο μέσω παρατηρήσεων KDE σε ECV SM που συλλέχθηκαν κατά την περίοδο μεταξύ 1981 και 2010 (γκρι πλήρεις κύκλοι). Η καμπύλη μπλε στη δεξιά πλευρά αντιπροσωπεύει την τυπική συνήθη λειτουργία αθροιστικής κατανομής (CDF). Η πιθανότητα μη υπέρβασης εκτιμάται στο Στάδιο (α) για υγρασία εδάφους 0,225 m3m-3, μετασχηματισμένη στην πρότυπη κανονική μεταβλητή Ζ στο Στάδιο (b), και η τιμή ESSMI (1,8) βρίσκεται στο Στάδιο (c).

Η ξηρασία είναι μία από τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές καταστροφές και επηρεάζει τους ανθρώπους περισσότερο από κάθε άλλη φυσική καταστροφή. Η γεωργική ξηρασία συμβαίνει όταν η εδαφική υγρασία δεν επαρκεί να υποστηρίξει τις καλλιέργειες στις γεωργικές εκτάσεις. Γεωργική ξηρασία εντοπίζεται σε περιόδους ωρίμανσης των καλλιεργειών, και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ετήσιας παραγωγής. Μέσα από την εργασία αυτή προτείνεται ένας απλός και χωρικά αμετάβλητος δείκτης πιθανότητας για όλο το χρόνο, ο Εμπειρικός Τυποποιημένος Δείκτης Εδαφικής Υγρασίας Empirical Standardized Soil Moisture Index, ESSMI).

Ο ΕSSMI είναι σχεδιασμένος να ταξινομεί την επιφάνεια σε κατηγορίες αγροτικής ξηρασίας με βάση την ένταση του φαινομένου. Ο δείκτης τυποποιεί την παρατηρούμενη υγρασία του εδάφους σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία για μια χρονική περίοδο (π.χ. μήνα, εποχή, έτος) σε σχέση με την κλιματολογία της υγρασίας του εδάφους για την ίδια χρονική περίοδο σε εκείνη την τοποθεσία. Τα αποτελέσματα του ESSMI αντιστοιχούν στα εκατοστημόρια p (x) της προσαρμοσμένης κατανομής πιθανοτήτων και εκφράζονται σε μονάδες τυπικής απόκλισης: οι αρνητικές τιμές αντιστοιχούν στις περιόδους ξηράνσεως από τις κανονικές και οι θετικές τιμές αντιστοιχούν σε περίοδο υγρότερη από την κανονική. Για την αξιολόγηση της χωροχρονικής συνέπειας των αποτελεσμάτων, αναλύεται μια χρονική σειρά των τιμών του δείκτη.

Η περιοχή μελέτης είναι όλη η Νοτιοκεντρική Αμερική, καθώς έχει ένα ευρύ φάσμα γεωγραφικών αποστάσεων και έχει μεγάλη ποικιλία κλιματικών συνθηκών. Χαρακτηρίζεται σε μεγάλο βαθμό από υγρές και τροπικές συνθήκες, ενώ σημαντικές εκτάσεις έχουν επηρεαστεί εξαιρετικά από τις μετεωρολογικές συνθήκες στο παρελθόν και οι κλιματικές αλλαγές προβλέπουν αυξημένη συχνότητα αυτών. Η παραγωγικότητα των καλλιεργήσιμων αναμένεται να μειωθεί στις εκτεταμένες πεδιάδες που βρίσκονται στα μεσαία και υποτροπικά γεωγραφικά πλάτη της Νότιας Αμερικής (π.χ. Βραζιλία και Αργεντινή), με αποτέλεσμα τη μείωση της παγκόσμιας παραγωγικότητας της εκτροφής βοοειδών και θα έχει αρνητικές επιπτώσεις στην παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια. Συγκεκριμένα κλιματολογικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την περιοχή Bahia στη Βραζιλία.

Για τον υπολογισμό του ESSMI χρησιμοποιήθηκαν ECV SM δεδομένα, τα οποία είναι δεδομένα για την υγρασία του εδάφους σε παγκόσμια κλίμακα και έχουν δημιουργηθεί με τη χρήση ενεργών και παθητικών μικροκυματικών διαστημικών οργάνων και καλύπτουν την περίοδο των 32 ετών από το 1978 έως το 2010. Τα δεδομένα είναι ελεύθερα στο διαδίκτυο και για την απόκτησή τους απαιτείται εγγραφή στο σχετικό ιστότοπο. Η διαδικασία του υπολογισμού του δείκτη ESSMI περιλαμβάνει 3 στάδια:

1) Την προσαρμογή ενός ePDF στο μακροπρόθεσμο αρχείο παρατηρήσεων ECV SM1, xt2,. . ., xtn; αυτό γίνεται για μια χρονική κλίμακα κατά μέσον όρο των για t μήνες (όπου t είναι τυπικά 1-, 3-, 6-, ή 12 μήνες) που συγκεντρώθηκαν n χρόνια. Οι παρατηρήσεις ECV SM μπορούν να υπολογιστούν για διαφορετικούς χρόνους με μέση ημερήσια τιμή κατά τους αντίστοιχους μήνες.

2) Τον υπολογισμό της πιθανότητας μη υπέρβασης μιας μέσης ECV SM παρατηρήσεως xtis που σε σχέση με το αντίστοιχο ePDF: αυτό απλώς υπολογίζεται με την εκτίμηση της αθροιστικής πιθανότητας F (xt) της μέσης ECV SM παρατήρησης xt.

3) Τη μετατροπή της πιθανότητας μη υπέρβασης στην τυπική κανονική μεταβλητή Z (μέση τιμή = 0 και διακύμανση = 1) και στη διαπίστωση της τελικής τιμής ESSMI.

Eικόνα 2:Επιλογή του συνόλου δειγμάτων ECV SM για την περίοδο Ιανουάριου του 1981 έως τον Δεκέμβριο του 2010: α) αριθμός ετών ανά σημείο δικτύου στην περιοχή μελέτης με προσωρινή ανάλυση άνω των 30 ημερών (δηλαδή τουλάχιστον 1 παρατήρηση υγρασίας του εδάφους ανά μήνα), (β) σημεία πλέγματος χωρίς σημαντικές ανακαλύψεις ECV SM (π.χ. περιοχές πυκνής βλάστησης, ισχυροτογραφία ή μόνιμο κάλυμμα πάγου) και (γ) επιλεγμένα σημεία πλέγματος για ανάλυση.

Στην εικόνα 3, παρουσιάζεται η στατιστική κατανομή των RMSEe, RMSEband RMSEncomputed, αντίστοιχα, με τα υπολείμματα ePDF, bPDF και nPDF με βάση τη διαδικασία διασταυρούμενης επικύρωσης (cross validation) εξόδου-εξόδου-out-time των ECV τιμών SM με μέση τιμή σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα αυτά τα σημεία πλέγματος εντός της περιοχής μελέτης. Συνολικά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το RMSEeare είναι μικρότερο από το RMSEband και RMSEn για τουλάχιστον 75% των σημείων πλέγματος σε όλες τις μέσες χρονικές κλίμακες. Τα συγκρινόμενα αποτελέσματα αποδεικνύουν επίσης ότι η κατανομή συχνότητας του RMSEe, δηλαδή των αντίστοιχων άνω και κάτω τεταρτημορίων, παρόμοια για όλα τα χρονικά πλαίσια της ανάλυσης. Οι διαφορές μεταξύ των εξεταζόμενων παραμέτρων παρουσιάζονται γραφικά στην εικόνα 4.

Eικόνα 3: Οι κατανομές συστοιχιών συχνοτήτων των RMSEs υπολογίζονται με τη διαδικασία διασταυρούμενης επικύρωσης για το ePDF (πορτοκαλί), nPDF (πράσινο) και bPDF (μωβ) προσαρμοσμένες στις μέσες μηνιαίες, εποχιακές, εξαμηνιαίες και ετήσιες παρατηρήσεις ECV SM κατά την περίοδο από τον Ιανουάριο του 1981 έως τον Δεκέμβριο του 2010.

Eικόνα 4: Εμπειρικές καμπύλες κατανομής πιθανότητας και κανονικής κατανομής πιθανότητας από τα PDF που προσαρμόστηκαν στις τιμές ECV SM του Νοέμβρη που συλλέχθηκαν μεταξύ 1981 και 2010 (γκρίζοι κύκλοι) σε σημείο πλέγματος στην Bahia της Βραζιλίας

Η αξιολόγηση της χωροχρονικής συνέπειας του ESSMI για την περιοχή μελέτης, βασίζεται στην ταξινόμηση των ετήσιων τιμών δεδομένων ECV SM σε ξηρές και υγρές χρονικές περιόδους από το 1981 έως το 2013 στη Bahia , με βάση τις τιμές του δείκτη. Για κάθε 0. 25◦grid, το ePDF τοποθετήθηκε μέσω σε μία συνεπή σειρά αναφοράς ECV SM παρατηρήσεων που συλλέχθηκαν σε 30ετή περίοδο μεταξύ 1980 και 2010, όπως συνιστά ο Παγκόσμιος Μετεωρολογικός Οργανισμός (WMO). Οι γεωγραφικές χρονολογικές σειρές των ετήσιων τιμών του ESSMI παρουσιάζονται στην εικόνα 5.

Eικόνα 5: Χρονοσειρές των ετήσιων τιμών ESSMI για τη περιοχή της Bahia

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα πιο σκληρά έτη ξηρασίας για την περιοχή ήταν τα έτη 1993, 2012 και 2013. Πράγματι, ολόκληρη η περιοχή ήταν υπό ξηρές συνθήκες και το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής γνώρισε έντονες και έντονες εντάσεις ξηρασίας, σύμφωνα με το σύστημα ταξινόμησης (εικόνα 6). Είναι γνωστό ότι η βορειοανατολική Βραζιλία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας στον Ειρηνικό και τον Ατλαντικό με πολλές προηγούμενες μελέτες που δείχνουν ότι οι ξηρασίες στην περιοχή αυτή σχετίζονται αποτελεσματικά με τα γεγονότα του El Nino και το θερμότερο (ψυχρότερο) από το κανονικό βόρειο (νότιο) τροπικό Ατλαντικό Ωκεανό SST. Παρόμοια, τo διάστημα 2012-2013 από ανώμαλα χαμηλότερα πρότυπα SST που συγκεντρώθηκαν στον κεντρικό Ειρηνικό ενδέχεται να μεταβλήθηκαν σημαντικά τα καθεστώτα βροχοπτώσεων στην περιοχή κατά το 2012 και 2013. Στη Βραζιλία, οι επιπτώσεις που σχετίζονται με τις καιρικές συνθήκες που σχετίζονται με το El Nino και το La Nina ποικίλλουν σημαντικά μεταξύ των περιφερειών.

Eικόνα 6:Πίνακας ταξινόμησης υγρασίας με βάση τις τιμές του ESSMI

Kατά τη διάρκεια της φάσης El Nino παρατηρείται μείωση της συσσωρευμένης κατακρήμνισης στις βόρειες και βορειοανατολικές περιοχές της χώρας, ενώ στην περιοχή Ni Niña οι περιοχές αυτές συνήθως παρουσιάζουν υψηλότερη από τις μέσες ποσότητες βροχόπτωσης. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι υπάρχει μια σχέση και μια χρονική συνέπεια μεταξύ των κλιματικών καθεστώτων κατά τη διάρκεια των ετών El Niño και των αρνητικών ετήσιων τιμών ESSMI για την περιοχή. Οι αρνητικές τιμές ESSMI για το 1983 και το 1998 (εικόνα 5) υποστηρίζουν την ιδέα ότι οι συνθήκες υγρασίας ξηρού εδάφους μπορούν να αποσυρθούν εν μέρει από την εμφάνιση αυτών των συμβάντων. Ομοίως, τα χρόνια που προκλήθηκαν από τα γεγονότα της La Nina, όπως για το 1985 δείχνουν μια καλή συμφωνία με τις θετικές ετήσιες τιμές ESSMI για την περιοχή.

Τα αποτελέσματα δείχνουν μια χωρική συνάφεια των τιμών ESSMI κατά μήκος του χρόνου για την περιοχή που αναλύθηκε, δηλαδή, υπάρχουν ομαλές μεταβάσεις των τιμών ESSMI μεταξύ των σημείων γειτονικών πλέγματος. Αυτή η φυσική συνέπεια είναι πολύ αντιπροσωπευτική των περιφερειακών προτύπων της μεταβλητότητας του κλίματος και της χωρικής συνοχής των υδρογονανθράκων, τα οποία τείνουν να εξελίσσονται αργά και να επηρεάζουν ταυτόχρονα μεγάλες περιοχές Τα αποτελέσματα φαίνεται να υποδεικνύουν ότι το προϊόν ECV SM το οποίο προέρχεται από επαναλαμβανόμενα και εναρμονισμένα σύνολα εδάφους που συλλέγονται από διάφορους ενεργούς και παθητικούς τηλεπισκοπικούς αισθητήρες, παρουσιάζει μια ομοιογενοποιημένη κλιματολογική τοπολογία της υγρασίας του εδάφους που ταιριάζει με τα μεγάλα χωροχρονικά πρότυπα ξηρών και υγρών εδαφολογικών συνθηκών για την υπό μελέτη περιοχή.

Τέλος, έγινε μια ανάλυση συσχέτισης του ESSMI με την απόδοση των καλλιεργειών για να αναλυθεί εάν τα ελλείμματα της υγρασίας του εδάφους κατά την κρίσιμη περίοδο της ανάπτυξης των καλλιεργειών επηρεάζουν την καλλιέργεια. Μόνο οι αποδόσεις των καλλιεργειών που λαμβάνονται κάτω από μη αρδευόμενες συνθήκες χρησιμοποιήθηκαν για ανάλυση συσχέτισης. Παρά το ενδεχόμενο επέκτασης της άρδευσης στη χώρα, η σημερινή αρδευόμενη περιοχή είναι αμελητέα (<3% της συνολικής έκτασης που καλλιεργείται με αμπέλια, σόγια και σιτάρι) Με βάση την κατανομή της συγκομιδής των καλλιεργειών και των αγρο-κλιματικών ζωνών που ορίζονται για την Αργεντινή (van Wart et al., 2013α), συνολικά 15 σταθμοί (αραβοσίτου) και 16 μετεωρολογικοί σταθμοί αναφοράς (σόγια και καύσιμα) επιλέχθηκαν οι αποδόσεις των καλλιεργειών που σχετίζονται με 3 ξεχωριστούς μετεωρολογικούς σταθμούς που βρίσκονται εντός των σημείων πλέγματος ECVSM και περιέχουν αδιάλειπτη χρονολογική σειρά μηνιαίων δεδομένων υγρασίας εδάφους για την περίοδο μεταξύ 1981 και 2012 (εικόνα 7, αριστερά).

Eικόνα 7:Σύγκριση των τριών ετήσιων καλλιεργειών (τόνοι / εκτάριο) στην Αργεντινή (αραβόσιτος - κίτρινοι κύκλοι, σόγια - μπλε τρίγωνα, κόκκινα τετράγωνα σίτος) και το άθροισμα των τιμών ESSMI για τις καλλιεργητικές περιόδους 2005-2006 έως 2011-2012.

Τοποθετήθηκαν ePDFs σε μηνιαίες χρονολογικές σειρές ECV και τα στοιχεία SM για την περίοδο 1981-2010, υπολογίστηκαν για την 7η περίοδο συγκομιδής της περιόδου 2005-2006 έως 2011-2012 οι μηνιαίες τιμές ESSMI. Οι μήνες που αναλύθηκαν ήταν εκείνοι που εξετάστηκαν στο πλαίσιο του μέσου κύκλου καλλιέργειας των καλλιεργειών στην περιοχή (Νοέμβριος-Μάιος του επόμενου έτους), συμπεριλαμβανομένου του μήνα πριν από τη σπορά του Οκτώβρη. Αφού υπολογίστηκε και το ετήσιο ισοζύγιο υγρασίας εδάφους για κάθε καλλιεργητική περίοδο, έγινε η συγκέντρωση των αντίστοιχων τιμών ESSMI ώστε για να αξιολογηθεί ο βαθμός σύνδεσης μεταξύ μη παραμετρικού δείκτη και ανωμαλιών απόδοσης. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην εικόνα 7 (δεξιά) και δείχνουν καλή συμφωνία μεταξύ των σωρευτικών τιμών ESSMI και γεωργικές αποδόσεις, με συντελεστές συσχέτισης 0,82, 0,85 και 0,94 για σιτάρι, σόγια και αραβόσιτο, με επίπεδο σημαντικότητας είναι 5%.

Τα δύο από τα κύρια πλεονεκτήματα του ESSMI είναι ότι:

1) το ESSMI βασίζεται μόνο στα δεδομένα της παρατήρησης της υγρασίας του εδάφους, σε αντίθεση με τις εκτιμώμενες τιμές από τις κλιματολογικές και βιοφυσικές μεταβλητές ή τα αποτελέσματα της υδρολογικής μοντελοποίησης που χρησιμοποιήθηκαν ως εισροές, αντίστοιχα.

2) δεν χρειάζεται να βαθμονομηθεί με τοπικούς παράλογους χωροταξικούς παράγοντες, όπως η χωρητικότητα του πεδίου και το σημείο διάρρηξης. Συμπερασματικά, ο δείκτης ESSMI βασίζεται στην περιεκτικότητα σε υγρασία του εδάφους και υπολογίζεται με την τοποθέτηση ενός μη παραμετρικού ePDF στην ιστορική σειρά των ECV SM παρατηρήσεων και στη συνέχεια τη μετατροπή της σε κανονική κατανομή με μέση τιμή μηδέν και τυπική απόκλιση ενός. Οι αρνητικές κανονικές τιμές υποδεικνύουν συνθήκες ξηρού εδάφους, ενώ οι θετικές τιμές υποδηλώνουν συνθήκες υγρού εδάφους. Η ένταση της ξηρασίας ορίζεται ως ο αριθμός των αρνητικών τυπικών αποκλίσεων μεταξύ της παρατηρούμενης τιμής SM και των αντίστοιχων φυσιολογικών κλιματολογικών συνθηκών. Όπως έχει αποδειχθεί σε αυτή τη μελέτη, το μη παραμετρικό ePDF είναι πολύ ευέλικτο: το ESSMI παρέχει μια σύνδεση μεταξύ των παρατηρούμενων τιμών δεδομένων και της αντίστοιχης πιθανότητας γεγονός που είναι ακριβέστερο από ότι με τις προηγούμενες παραμετρικές διανομές για τη μοντελοποίηση δεδομένων υγρασίας εδάφους.

Επιπλέον, δεδομένου ότι οι χρονικές σειρές των τιμών ECV SM δεδομένων είναι συχνά θετικά ανισορροπημένες, τα σχήματα τόσο του bPDF όσο και του nPDF δεν είναι σε θέση να αντιπροσωπεύουν με ακρίβεια τις παρατηρήσεις ECV SM και οι αντίστοιχες αθροιστικές κατανομές δεν προσεγγίζουν την πιθανότητα υπέρβασης των παρατηρούμενων τιμών δείγματος. να αξιολογηθεί η χωροχρονική συνέπεια των τιμών δεδομένων ESSMI και ECV SM για τον χαρακτηρισμό της ξηρασίας, ο μη παραμετρικός δείκτης χρησιμοποιήθηκε για να χαρτογραφήσει το ξηρότερο και βρεγμένο έτος που σημειώθηκε μεταξύ 1981 και 2013 στην περιοχή Bahia, βορειοανατολική Βραζιλία. Λίγες σοβαρές και μεγάλες εκδηλώσεις ετήσιων ελλείψεων ρύπανσης του εδάφους εμφανίστηκαν για την περιοχή. Το ESSMI υποδεικνύει το 1993 και το 2012-2013 ως τα ξηρότερα χρόνια σε ολόκληρη τη χρονοσειρά χάρτες ξηρασίας της γεωργίας.

Παρομοίως, υπάρχει επίσης μια καλή συμφωνία μεταξύ θετικών τιμών ESSMI και υπερβολικά υγρών ετών που επηρέασαν την περιοχή κατά την εξεταζόμενη περίοδο. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν επίσης ότι το προϊόν ECV SM είναι χωρικά συνεκτικό και ήταν ακριβές κατά την εξέλιξη μεταξύ των γεωγραφικών σχημάτων των ξηρών και υγρών εδαφολογικών συνθηκών που επαληθεύτηκαν για την περιοχή. Τέλος, το ESSMI δοκιμάστηκε έναντι της γεωργικής παραγωγικότητας. Η σχέση μεταξύ τιμών δείκτη και απόδοσης καλλιεργειών, σόγιας και σίτου αναλύθηκε για 7 εποχές συγκομιδής των ετών 2005-2006 έως 2011-2012 σε μια περιοχή στην περιοχή μελέτης και παρέχει παγκόσμια καθημερινή πληροφόρηση σχετικά με τις συνθήκες υγρασίας αδιάφορα βάθη εδάφους.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]